A través de las primeras simulaciones de supercomputadoras, los investigadores, incluido un profesor de la Universidad de Northwestern, han obtenido una nueva visión de uno de los fenómenos más misteriosos de la astronomía moderna: el comportamiento de los chorros relativistas que disparan desde los agujeros negros, extendiéndose hacia afuera a través demillones de años luz.
Las simulaciones avanzadas creadas con una de las supercomputadoras más potentes del mundo muestran que las corrientes de los jets cambian gradualmente de dirección en el cielo o en el preceso, como resultado del arrastre del espacio-tiempo en la rotación del agujero negro. Este comportamiento se alinea con AlbertLas predicciones de Einstein sobre la gravedad extrema cerca de los agujeros negros giratorios, publicadas en su famosa teoría de la relatividad general.
"Comprender cómo los agujeros negros giratorios arrastran el espacio-tiempo a su alrededor y cómo este proceso afecta lo que vemos a través de los telescopios sigue siendo un rompecabezas crucial y difícil de descifrar", dijo Alexander Tchekhovskoy, profesor asistente de física y astronomía en Northwestern'sWeinberg College of Arts and Sciences. "Afortunadamente, los avances en el desarrollo de códigos y los saltos en la arquitectura de la supercomputadora nos acercan cada vez más a encontrar las respuestas".
El estudio, publicado en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society , es una colaboración entre Tchekhovskoy, Matthew Liska y Casper Hesp. Liska y Hesp son los autores principales del estudio y estudiantes de posgrado en la Universidad de Amsterdam, Países Bajos.
Los agujeros negros que giran rápidamente no solo envuelven materia sino que también emiten energía en forma de chorros relativistas. Similar a cómo el agua en una bañera forma un remolino a medida que baja por un desagüe, el gas y los campos magnéticos que alimentan un remolino de agujero negro supermasivopara formar un disco giratorio: un espagueti enredado de líneas de campo magnético mezclado en un caldo de gas caliente. A medida que el agujero negro consume esta sopa astrofísica, engulle el caldo pero deja el espagueti magnético colgando de su boca.agujero negro en una especie de plataforma de lanzamiento desde la cual la energía, en forma de chorros relativistas, se dispara desde la red de espaguetis magnéticos retorcidos.
Los chorros emitidos por los agujeros negros son más fáciles de estudiar que los agujeros negros en sí mismos porque los chorros son muy grandes. Este estudio permite a los astrónomos comprender qué tan rápido está cambiando la dirección del chorro, lo que revela información sobre el giro del agujero negro y elorientación y tamaño del disco giratorio y otras propiedades difíciles de medir de la acumulación de agujeros negros.
Mientras que casi todas las simulaciones anteriores se consideraron discos alineados, en realidad, se cree que la mayoría de los agujeros negros supermasivos centrales de las galaxias albergan discos inclinados, lo que significa que el disco gira alrededor de un eje separado que el agujero negro en sí. Este estudio confirma que si está inclinado,los discos cambian de dirección en relación con el agujero negro, precesando alrededor como un trompo. Por primera vez, las simulaciones mostraron que tales discos inclinados conducen a chorros de precesión que cambian periódicamente su dirección en el cielo.
Una razón importante por la que los chorros de precesado no se descubrieron anteriormente es que las simulaciones tridimensionales de la región que rodea un agujero negro que gira rápidamente requieren una enorme cantidad de poder computacional. Para abordar este problema, los investigadores construyeron el primer código de simulación de agujero negro acelerado porunidades de procesamiento gráfico GPU. Una subvención de la National Science Foundation les permitió realizar las simulaciones en Blue Waters, una de las supercomputadoras más grandes del mundo, ubicada en la Universidad de Illinois.
La confluencia del código rápido, que usa eficientemente una arquitectura de GPU de vanguardia, y la supercomputadora Blue Waters permitió al equipo realizar simulaciones con la resolución más alta jamás alcanzada, hasta mil millones de celdas computacionales.
"La alta resolución nos permitió, por primera vez, asegurarnos de que los movimientos del disco turbulento a pequeña escala se capturen con precisión en nuestros modelos", dijo Tchekhovskoy. "Para nuestra sorpresa, estos movimientos resultaron ser tan fuertes que causaronel disco para engordar y la precesión del disco para detenerse. Esto sugiere que la precesión puede ocurrir en ráfagas ".
Debido a que la acumulación en los agujeros negros es un sistema muy complejo similar a un huracán, pero ubicado tan lejos que no podemos discernir muchos detalles, las simulaciones ofrecen una forma poderosa de dar sentido a las observaciones del telescopio y comprender el comportamiento de los agujeros negros.
Los resultados de la simulación son importantes para futuros estudios que involucran agujeros negros giratorios, que actualmente se están llevando a cabo en todo el mundo. Mediante estos esfuerzos, los astrónomos intentan comprender fenómenos descubiertos recientemente, como las primeras detecciones de ondas gravitacionales de colisiones de estrellas de neutrones ylos fuegos artificiales electromagnéticos que lo acompañan, así como las estrellas regulares que están envueltas por agujeros negros supermasivos.
Los cálculos también se están aplicando para interpretar las observaciones del Event Horizon Telescope EHT, que capturó las primeras grabaciones de la sombra del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea.
Además, la precesión de los jets podría explicar las fluctuaciones en la intensidad de la luz proveniente de los agujeros negros, llamadas oscilaciones cuasi periódicas QPO. Estas oscilaciones pueden ocurrir de manera similar a la forma en que el haz giratorio de un faro aumenta en intensidada medida que pasa por un observador. Las QPO fueron descubiertas por primera vez cerca de los agujeros negros como rayos X en 1985 por Michiel van der Klis Universidad de Amsterdam, quien es coautor del nuevo artículo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Original escrito por Kayla Stoner. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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